Des transformateurs de courant aux capteurs

n° 170
photographie
photographie
Christian Teyssandier
Entré chez Merlin Gerin en 1962,
il est diplômé ingénieur INPG
- Institut National Polytechnique
de Grenoble - en 1967.
Jusqu'en 1974 il travaille les
problèmes de magnétisme pour
le moteur linéaire. Il occupe
ensuite différents postes à
responsabilités techniques dans
le domaine des condensateurs
de puissance haute, moyenne et
basse tension.
Puis en 1983, il devient chef de
projet de l'activité
transformateurs de mesure
moyenne tension.
En 1992, il rejoint l'activité
Anticipation de la Division
Moyenne Tension de
Merlin Gerin.
CT 170 édition décembre 1993
des transformateurs
de courant aux
capteurs hybrides,
en HT
lexique
capteur hybride :
capteur de courant ou de tension qui
comprend au moins un élément
sensible à la grandeur à mesurer,
couplé à un système électronique
délivrant un signal secondaire (courant
ou tension), image en module et en
phase de la grandeur primaire.
CEM :
compatibilité électromagnétique, c’est
la capacité d’un dispositif à fonctionner
correctement dans son environnement
électromagnétique sans générer de
perturbation intolérable pour quoi que
ce soit dans cet environnement
(cf. Cahier Technique n˚ 149)
biréfringence :
les matériaux dont l’indice de réfraction
dépend à la fois de la direction de
propagation, de l’état de polarisation, et
aussi de la fréquence de l’onde
lumineuse sont dits anisotropes ou
biréfringents.
Cahier Technique Merlin Gerin n° 170 / p.2
Remarque
Les niveaux de tensions font l’objet de différents classements selon les décrets, les
normes, et autres spécifications particulières telles celles de certains distributeurs
d’énergie, ainsi en ce qui concerne les tensions alternatives supérieures à 1 000 V :
■ le décret français du 14 novembre 1988 définit deux domaines de tension :
HTA = 1 kV < U ≤ 50 kV,
HTB = U > 50 kV.
■ le CENELEC (Comité Européen de Normalisation Electrotechnique) dans sa
circulaire du 27 juillet 1992 précise :
MT = 1 kV < U ≤ 35 kV,
HT = U > 35 kV.
■ la publication CEI 71 précise des gammes de tensions les plus élevées pour le
matériel :
gamme A = 1 kV < U < 52 kV,
gamme B = 52 kV ≤ U < 300 kV,
gamme C = U ≥ 300 kV.
Une révision est prévue, elle retient seulement deux gammes :
gamme I = 1 kV < U ≤ 245 kV,
gamme II = U ≥ 245 kV.
■ le distributeur national d’énergie en France, EDF, utilise maintenant le classement
du décret cité ci-dessus.
des transformateurs de courant
aux capteurs hybrides, en HT
sommaire
1. Introduction
2. Généralités
p. 4
Fonctions des capteurs
p. 4
Évolution des capteurs
Les grandeurs à mesurer
p. 5
p. 5
Les différents types de capteurs
de courant
p. 6
La normalisation
p. 7
3. Transformateur de courant
4. Capteur de courant à bobine
de Rogowski
5. Capteurs hybrides.
Utilisation
Les évolutions technique et
technologique des équipements de
protection et de contrôle-commande
mis en œuvre dans les réseaux de
distribution d’énergie électrique
nécessitent une évolution parallèle
de leurs sources d’informations que
sont les capteurs de courant et de
tension.
Ce Cahier Technique traite
principalement des capteurs de courant
pour les applications moyenne tension.
Après quelques rappels sur
les besoins d’informations et sur
les transformateurs de courant, ce
document présente les nouveaux
capteurs hybrides et en particulier
ceux conçus à partir d’une bobine
de Rogowski. Il démontre
simultanément les avantages et
inconvénients de toutes ces solutions
selon leur domaine d’emploi.
p. 9
Normalisation
p. 9
Spécification d’un TC
Applications particulières
p. 10
p. 12
Comportement en CEM
Un risque particulier
p. 13
p. 13
Fonctionnement
p. 14
Normalisation
p. 15
Fonctionnement en régime
permanent et transitoire
Spécification des capteurs de
courant à bobine de Rogowski
p. 16
Comportement en CEM
p. 16
Capteurs optiques à
effet Faraday
p. 17
p. 15
Capteurs de courant à effet Hall p. 19
Capteur de courant à flux nul
p. 21
6. Tableau comparatif, synthèse
7. Conclusion et avenir
p. 21
Les solutions du présent
p. 22
Les solutions de l’avenir
p. 22
Annexe 1 : précision des TC selon la CEI 185
p. 23
Annexe 2 : classement des TC selon la CEI 44-6
p. 24
Annexe 3 : bibliographie
p. 24
Cahier Technique Merlin Gerin n° 170 / p.3
1. introduction
La bonne exploitation et la sécurité
des réseaux électriques de
distribution d’énergie, depuis
la centrale électrique de production
de l’énergie jusqu’au point d’utilisation,
se font par l’intermédiaire
d’équipements de protection et de
contrôle-commande qui exigent la
connaissance permanente des deux
grandeurs électriques fondamentales
que sont le courant I et la
tension U.
La connaissance de ces deux
grandeurs comporte plusieurs aspects :
■ nature du courant (continu ou
alternatif) ;
■ niveau de tension (basse tension
- BT -, haute tension - HTA et HTB -) ;
■ évolutions transitoires de ces
grandeurs liées aux changements
d’état intervenant naturellement ou
accidentellement dans l’exploitation
d’un réseau électrique.
Plusieurs phénomènes physiques
peuvent être mis en application pour la
mesure des courants alternatifs. Ces
différentes méthodes conduisent à des
niveaux de performances qui sont
eux-mêmes plus ou moins compatibles
avec celles requises par les différents
niveaux de protection, d’exploitation et
de sécurité recherchés.
Pour aboutir à la meilleure spécification
possible des capteurs à installer sur un
réseau il faut pouvoir évaluer leurs
performances. La connaissance du
fonctionnement des différents types est
nécessaire pour faire cette évaluation.
■ juste
Un capteur est juste s’il donne, dans
des conditions spécifiées, un signal x2
identique, à un facteur de mesure près,
à celui qui sert à mesurer x1.
x1 = k . x2
avec k = facteur de mesure.
■ fidèle
Un capteur est fidèle si le facteur de
mesure k est indépendant du temps et
des conditions d’emploi, pourvu que
celles-ci restent dans les valeurs
spécifiées :
si à t1
x1 = k1 . x2
et à t2
x1 = k2 . x2
et si
k1 ≠ k2,
alors le capteur de mesure n’est pas
fidèle.
Plus avant dans ce Cahier Technique il
sera donné des exemples de capteurs
qui ne sont ni justes ni fidèles dans
certaines conditions de fonctionnement,
notamment en période de régime
transitoire, qui diffèrent des conditions
spécifiées.
Le rapport de transformation, ou plus
généralement le facteur de mesure,
permet d’adapter le signal à mesurer
aux performances de l’appareil qui sert
à mesurer, analyser et traiter ce signal.
Les équipements de mesure, de
protection et de contrôle-commande,
qui utilisent des grandeurs d’entrée de
faible niveau, ne peuvent pas accepter
les perturbations existantes sur les
réseaux de puissance auxquels ils sont
connectés par l’intermédiaire des
capteurs de mesure.
2. généralités
fonctions des capteurs
Les capteurs ont trois fonctions
essentielles :
■ fournir une image juste et aussi fidèle
que possible de la grandeur électrique
à mesurer ;
■ assurer une séparation entre les
réseaux de puissance et les réseaux
de mesure, de protection et de
contrôle-commande ;
■ assurer, soit une interchangeabilité
entre les moyens de mesure, de
protection et de contrôle-commande,
soit répondre à une spécificité de ces
mêmes moyens.
Fournir une image juste et fidèle
A partir des deux grandeurs
caractéristiques de tout réseau
électrique que sont le courant et la
tension, les équipements de mesure,
protection et de contrôle-commande
élaborent un certain nombre de
paramètres tels que : cos ϕ,
dépassement de seuil, puissance
instantanée,…
Il faut donc pour plusieurs raisons
(financière, sécurité, sûreté
d’exploitation) que les signaux délivrés
par les capteurs alimentant ces
équipements soient justes et fidèles :
Cahier Technique Merlin Gerin n° 170 / p.4
Séparer le réseau de puissance du
réseau de mesure, de protection et
de contrôle-commande
Les réseaux électriques sont le siège
de perturbations électriques et
électromagnétiques importantes
et particulièrement sévères dans
les postes à haute tension. Ces
perturbations sont liées aux
manœuvres d’appareillages
(sectionneurs, interrupteurs,
disjoncteurs et contacteurs), aux
décharges atmosphériques auxquelles
sont exposées les lignes aériennes et à
l’apparition ou la suppression des
défauts sur les réseaux d’exploitation.
Ces perturbations se superposent
localement et temporairement aux
grandeurs nominales du courant et de
la tension en entraînant des
perturbations de ces grandeurs.
La transmission de ces perturbations
au secondaire des capteurs doit être
compatible avec les niveaux
d’isolement et d’impédance d’entrée
des équipements qui constituent le
réseau de mesure, de protection et de
contrôle-commande. Le niveau de cette
transmission est le résultat d’un
isolement galvanique plus ou moins
parfait entre circuit primaire et circuit
secondaire des capteurs. Le facteur de
transmission est fonction :
■ des technologies de réalisation des
capteurs ;
■ et des phénomènes physiques
retenus (pour effectuer la mesure),
certains conduisant à un facteur
quasiment nul.
Ainsi, l’isolement galvanique joue un
rôle essentiel dans le comportement en
CEM -Compatibilité électromagnétiquedes différents types de capteurs.
Le comportement en CEM sera traité
pour chaque type de capteur présenté
dans ce Cahier Technique. Il dépend
aussi des équipements associés, car
les capteurs servent à l’adaptation au
réseau de puissance des différents
moyens de mesure, de protection et de
contrôle-commande.
Interchangeabilité et satisfaction des
spécificités des appareils
«alimentés» par les capteurs
Les équipements de mesure, de
protection et de contrôle-commande
ont fortement évolué durant les années
80. Cette évolution n’est pas encore
terminée. De ce fait, il est possible de
rencontrer dans un même tableau
électrique trois technologies pour ces
équipements.
■ électromécanique
C’est la technologie la plus ancienne.
Elle utilise les effets électromagnétiques
des grandeurs électriques. Ce principe
nécessite, de la part des capteurs, la
fourniture d’une énergie importante. De
l’ordre de 15 VA en fonctionnement
normal et pouvant atteindre
ponctuellement 3 400 VA lors d’un
défaut sur le circuit primaire du capteur.
■ électronique analogique
Cette technologie plus récente est
apparue avec le développement
intensif des semi-conducteurs.
L’énergie nécessaire à ce type
d’équipement est beaucoup plus faible,
de l’ordre de 1 VA en régime normal et
225 VA lors d’un défaut. Il devient alors
possible d’avoir plusieurs relais de
protection connectés sur une même
sortie de capteurs.
■ électronique numérique
A base de microprocesseurs, c’est la
technologie d’aujourd’hui, elle est
toujours en cours d’évolution. L’énergie
requise par cette technologie est très
faible, de l’ordre du mVA (0,001 VA) en
régime normal et 0,25 VA lors d’un
défaut. De ce fait, généralement, les
capteurs peuvent n’offrir qu’une seule
sortie de très faible puissance suffisante
pour alimenter l’unité de protection et de
contrôle-commande qui leur est
associée ; dans certains cas et en
particulier pour les protections
différentielles (zone, jeux de barres,
transformateur,…) les capteurs doivent
présenter au moins deux sorties.
Ces évolutions n’ont pas encore été
entièrement prises en compte par la
normalisation des capteurs. Celle-ci ne
permet pas aujourd’hui de profiter
complètement de tous les avantages
qu’offrent les technologies à base de
microprocesseurs et les capteurs
développés dans les années récentes.
Cependant il apparaît sur le marché,
notamment en HTA et en HTB des
chaînes de mesure, de protection et de
contrôle-commande bénéficiant de ces
évolutions. Ces équipements sont
associés à des capteurs spécifiques
réalisant une adaptation aussi parfaite
que possible entre le réseau de
puissance et la chaîne de contrôlecommande. Ces capteurs ne sont pas
utilisables avec d’autres dispositifs de
mesure, de protection et de contrôlecommande que ceux pour lesquels ils
ont été développés.
évolution des capteurs
Outre le fait que les équipements modernes
nécessitent moins d’énergie, l’évolution
des capteurs dans les années récentes
est surtout liée à trois besoins :
■ fiabilité
La recherche permanente de la
continuité de service, la limitation des
effets extérieurs en cas d’incident ont
contribué à cette évolution.
■ justesse et fidélité
L’évolution des matériels de réseau,
surtout en HTB avec l’apparition des
matériels à isolement gazeux et la
recherche de continuité de service, ont
conduit au développement de capteurs
linéaires ou dits linéarisés. Ces
capteurs rendent possible et sûre
l’intervention des systèmes de
protection et de contrôle-commande en
période de régime transitoire.
■ coût
La bonne exploitation des réseaux
dans le but d’améliorer la continuité de
service, nécessite la connaissance des
grandeurs caractéristiques de réseaux
en de multiples endroits, d’où
l’utilisation d’un nombre de capteurs de
plus en plus grand. De ce fait le coût
des capteurs devient donc un élément
important.
les grandeurs à mesurer
Niveau de tension
C’est une caractéristique importante du
réseau sur lequel seront installés les
capteurs. De ce niveau de tension
découlent les contraintes diélectriques
qui serviront au dimensionnement des
capteurs.
La CEI - Commission Electrotechnique
Internationale - dans sa norme 71
définit la tension la plus élevée pour le
matériel, Um, comme la valeur
maximale de la tension entre phases
que le réseau peut prendre. A cette
tension Um sont associées, dans la
même publication et dans les
publications se rapportant aux capteurs
de mesure, les contraintes diélectriques
de tenue 50 Hz, de tenue à l’onde de
choc 1,2/50 et le cas échéant la tenue
aux ondes de manœuvre et aux ondes
coupées.
Cette publication divise en trois
gammes les valeurs normalisées de
Um :
■ la gamme A, de 1 kV à moins de
52 kV,
■ la gamme B, de 52 kV à moins de
300 kV,
■ et la gamme C, de 300 kV et
au-dessus.
La suite de ce Cahier Technique est
essentiellement consacrée aux
capteurs destinés aux réseaux de la
gamme A.
Types de grandeurs
La gestion, la surveillance, la protection
et la téléconduite de n’importe quel
type de réseau électrique se font à
partir des deux grandeurs tension et
courant, caractéristiques de tout circuit
électrique.
Cahier Technique Merlin Gerin n° 170 / p.5
■ tension
La valeur nominale d’un réseau
électrique HTA varie de quelques
centaines de volts à quelques dizaines
de milliers de volts. Les tensions de
défaut sont généralement faibles et
souvent voisines de zéro.
■ courant
La valeur nominale varie de quelques
ampères à quelques milliers
d’ampères. Les courants de défaut
peuvent atteindre plusieurs dizaines de
kiloampères.
Seuls les capteurs de courant seront
examinés dans ce Cahier Technique :
ils représentent la majorité des
capteurs de grandeurs électriques dans
un réseau. C’est en HTA que leur poids
économique est le plus important… et
doit donc être minimisé.
Pour cela il faut :
■ d’une part, connaître les
performances recherchées pour
l’application à traiter et les spécifier le
plus justement possible ;
■ d’autre part connaître le
fonctionnement et évaluer les
performances des différents types de
capteurs de courant.
Utilisation des grandeurs
Pour l’exploitation d’un réseau, ces
grandeurs caractéristiques (tension
et courant) sont utilisées par différents
matériels. La connaissance de ces
matériels permet de spécifier les
caractéristiques du secondaire des
capteurs de courant.
■ appareils de mesure
■ indicateurs de tableau, relativement
peu précis, ils permettent une lecture
de la valeur des grandeurs mesurées.
A noter que l’affichage à aiguille tend
de plus en plus à être remplacé par un
affichage numérique intégré dans la
chaîne de contrôle-commande.
Ce sont les ampèremètres, les
voltmètres, les wattmètres, les
fréquencemètres, etc. De classe 1,5
ou 3 leur association à un capteur de
classe 1 est en général suffisante pour
la fonction à remplir.
■ compteurs et enregistreurs, ils sont
employés soit pour la facturation par
les distributeurs d’énergie, soit pour la
répartition des dépenses d’énergie
entre les ateliers d’un même abonné.
Ils sont d’une précision en général plus
importante que les indicateurs
précédemment cités. Pour la
facturation, le capteur associé est
Cahier Technique Merlin Gerin n° 170 / p.6
généralement de classe 0,5. Pour la
répartition, la précision demandée est
plus faible, et un capteur de classe 1
suffit habituellement.
■ relais de protection
De type modulaire, chaque élément a
une fonction bien définie ; ces éléments
sont souvent regroupés pour surveiller
une portion de réseau électrique
(cf. fig. 1). Les fonctions élémentaires
les plus connues sont les protections :
■ à maximum de courant phase
(surcharge ou court-circuit),
■ à maximum de courant homopolaire,
■ directionnelle de courant (phase et
homopolaire) ,
■ différentielle de zone,
■ de retour de puissance active,
■ de retour de puissance réactive.
■ unités de protection et de contrôlecommande
Ce sont des ensembles intégrés,
configurables ayant pour base un
microprocesseur (cf. fig. 2). Les unités
regroupent, au niveau des cellules
(niveau 1 d’un système de gestion
technique d’un réseau électrique), dans
un très faible encombrement les
diverses fonctions nécessaires à
l’exploitation des réseaux électriques
que sont :
■ les mesures,
■ les protections,
■ les automatismes,
■ les communications vers des niveaux
supérieurs 2 (sous-station) ou 3 (poste
de conduite).
A noter que les forts courants, comme
les fortes tensions sont à éviter sur les
circuits d’entrées de tous ces matériels.
C’est le rôle des capteurs de courant et
de tension que d’adapter le niveau des
signaux à ces circuits d’entrées
(mesure et/ou protection).
Transformateur de courant - TC Ce capteur comporte deux circuits
électriques, un primaire et un
secondaire, et un circuit magnétique.
Il délivre un signal secondaire de même
nature que la grandeur primaire à
mesurer ; c’est une source de courant.
Bien qu’il ne soit pas linéaire et que sa
plage d’utilisation soit limitée par les
phénomènes de saturation magnétique,
c’est aujourd’hui le type de capteur le
plus employé en HTA et HTB.
Un TC peut comporter plusieurs
secondaires, chacun d’eux étant dédié
à une fonction précise, mesure ou
protection.
■ secondaire «mesure»
Sa plage de précision est étroite. Elle
est généralement limitée à des
courants égaux ou inférieurs au courant
primaire assigné.
■ secondaire «protection»
Dans ce cas la plage de précision est
très large. Elle atteint très souvent une
à vingt fois le courant primaire assigné.
La conception d’un tel secondaire est
très différente selon le mode de
fonctionnement, régime permanent ou
transitoire, auquel il est destiné.
Il est à noter que la plage de
fonctionnement d’un TC est en général
beaucoup plus étendue que la plage de
précision, car elle doit tenir compte du
courant de court-circuit.
fig. 1 : relais de protection de type
modulaire (Vigirack - Merlin Gerin).
fig. 2 : unité de protection et de contrôlecommande (SEPAM 2000 - Merlin Gerin).
les différents types de
capteurs de courant
Les capteurs de courant se classent en
trois grandes familles :
■ les transformateurs,
■ les capteurs spécifiques,
■ les capteurs hybrides.
capteur de courant optique
Son élément sensible est soit une fibre
optique, soit un cristal optique. Dans
les deux cas le principe de Faraday,
découvert en 1845 par ce physicien,
est utilisé.
■
transformateur à flux nul
Dans ce type de CH l’élément sensible
est un TC dans lequel le flux créé par le
primaire est annulé pour chaque
enroulement secondaire par un
enroulement auxiliaire (cf. fig. 4). Ce
qui annule les méfaits de la saturation,
mais ne peut être fait que dans une
plage limitée de fonctionnement
(courant et fréquence).
■
capteur de courant à effet Hall
Son élément sensible est une cellule de
Hall (cf. fig. 5). Il permet de mesurer
aussi bien des courants continus que
des courants alternatifs. Utilisant
généralement un circuit magnétique
pour augmenter sa sensibilité, il est
alors soumis à des phénomènes de
saturation, comme un TC.
■
la normalisation
La normalisation existante, nationale ou
internationale, ne concerne que les TC
(transformateurs de courant). Des
travaux sont en cours pour aboutir à
une normalisation des capteurs
hybrides -CH-. Les capteurs
spécifiques ne sont pas encore
concernés par de tels travaux.
I
rayon du support
rayon moyen du tore
Z
enroulement secondaire
(fil fin)
I = courant à mesurer,
tension délivrée
u=f(
dI
dt
)
fig. 3 : schéma de principe d’un CS.
I1 = courant à mesurer,
I2 = courant du circuit
secondaire,
CM = circuit magnétique,
Z = impédance de charge
généralement de faible valeur,
A = amplificateur de courant,
ES = enroulement
secondaire,
SD = enroulement de
détection de flux nul pilotant
l’amplificateur A.
I1
CM
I2
ES
Z
SD
A
fig. 4 : schéma de principe d’un TC à flux nul.
i
I
I = courant à mesurer,
CM = circuit magnétique,
CH = cellule de Hall,
i = courant d’alimentation
de la cellule,
Vh = tension de Hall
proportionnelle à i et I,
A = amplificateur de tension
ou de courant.
H
Capteurs hybrides - CH La définition d’un capteur hybride
donnée dans le lexique couvre
plusieurs types de capteurs. Seuls les
types les plus connus et les plus
utilisés en HTA et HTB sont
mentionnés ci-après.
support non ferromagnétique
C
Capteur spécifique - CS - ou capteur
à bobine de Rogowski
Le principe de ce capteur a été décrit
par Rogowski en 1912. Il se distingue
des précédents par l’absence dans sa
constitution de matériau
ferromagnétique. Cette absence lui
confère une parfaite linéarité dans une
large plage de courant. Cette linéarité
n’est pas affectée par les différentes
fréquences présentes sur les réseaux
HTA et HTB. Ce type de capteur
associé à une impédance de charge Z,
de forte valeur (≈ 10 kΩ à 50 Hz), est
une source de tension (cf. fig. 3).
Vh
+
A
-
CM
fig. 5 : schéma de principe d’un capteur de courant à effet Hall.
Cahier Technique Merlin Gerin n° 170 / p.7
Normes nationales
Dans la CEE les normes nationales des
différents pays, sont en cours
d’harmonisation par l’intermédiaire du
CENELEC. Cette harmonisation se fait
sur les bases de la normalisation
internationale éditée par la CEI.
Normes internationales
La CEI par l’intermédiaire du Comité
d’Etudes N˚ 38 élabore les normes
concernant les capteurs de courant et
de tension.
Précision
A partir des normes existantes pour les
TC, il est possible de définir un certain
nombre de termes génériques pouvant
s’appliquer à tous les types de
capteurs. Ils sont regroupés, dans cette
normalisation, sous le terme de
précision. Ils permettent de spécifier et
d’évaluer les performances et
domaines d’utilisation des capteurs de
courant.
■ rapport de transformation théorique.
C’est le rapport entre les valeurs
Cahier Technique Merlin Gerin n° 170 / p.8
efficaces assignées des grandeurs
primaires et secondaires. Il est
généralement noté Kn. C’est, pour les
TC, un nombre sans dimension. Pour
les CS ou CH il est souvent exprimé en
Ampère (primaire) / Volt (secondaire).
■ erreur
Tous les capteurs ont des
imperfections qui introduisent des
distorsions dans la restitution du signal
secondaire. Il existe en courant
alternatif trois types d’erreur :
■ l’erreur de rapport : exprimée en pour
cent, elle est calculée à partir de la
différence qui existe entre les rapports
de transformation réel et théorique
(cf. annexe 1) ;
■ l’erreur de phase : habituellement
exprimée en minute d’angle, elle
donne, à π (TC) ou π/2 (CS) près,
l’écart de phase qui existe entre le
vecteur de la grandeur primaire et celui
de la grandeur secondaire (cf.
annexe 1) ;
■ l’erreur composée : exprimée en pour
cent de la valeur efficace du courant
primaire, c’est en régime permanent,
la valeur efficace de la différence entre :
- la valeur instantanée du courant
primaire,
- et le produit du rapport de
transformation assigné par la valeur
instantanée du courant secondaire.
■ classe de précision
La classe de précision définit pour un
capteur de courant les limites
maximales des erreurs (de rapport et de
phase) dans des conditions spécifiées.
■ charge de précision
Exprimée en ohms, avec un facteur de
puissance spécifié, c’est la valeur de
l’impédance raccordée aux bornes
secondaires du capteur sur laquelle
sont basées les conditions de
précision.
puissance de précision
Exprimée en VA, c’est la puissance
apparente que le capteur peut fournir à
sa charge de précision, lorsqu’il est
traversé par le courant primaire
assigné.
■
3. transformateur de courant
Son principe (brièvement décrit au
chapitre 2) lui confère des propriétés
avantageuses, mais aussi gênantes
dans certains cas, pour l’exploitation
des réseaux.
Sa description technique ainsi que son
comportement sont particulièrement
développés dans le Cahier Technique
N˚ 164, qui aborde principalement les
problèmes liés au fonctionnement des
installations électriques en régime
permanent.
utilisation
En HTB, l’apparition des matériels
blindés à isolement gazeux et la
recherche d’une stabilité dynamique
permanente des réseaux comportant
des générateurs de forte puissance
rendent nécessaire la prise en compte
du fonctionnement pendant les
périodes de changement d’état du
réseau (régime transitoire).
Les phénomènes de saturation et
d’hystérésis, sans surdimensionnement important des
noyaux magnétiques des TC, font que
la réponse en régime transitoire de ce
type de capteur n’est ni juste ni fidèle.
Il faut, en général, attendre la fin du
régime transitoire pour obtenir une
réponse juste. Ce temps d’attente,
dans certains cas d’exploitation et de
défaut, n’est pas toujours compatible
avec la sécurité des matériels et des
personnes. Il est parfois nécessaire de
détecter le défaut lors de la première
période du régime transitoire qui dans
certains types de réseaux peut durer
200 ms (soit 10 périodes).
Justesse et fidélité sont aussi
nécessaires en période de régime
transitoire :
■ en HTB, pour les matériels se
trouvant près des centrales de forte
puissance et sur les jeux de barres de
poste important ;
■ en HTA, au voisinage des sources,
lorsqu’un réseau HTB de forte
puissance est alimenté, soit par un
transformateur à fort rapport de
transformation (220 kV/ 20 ou 36 kV
par exemple), soit par des générateurs
de très forte puissance unitaire.
La normalisation actuelle permet, pour
les TC et les deux cas de
fonctionnement (permanent et
transitoire) et à partir de conditions
spécifiées, de bien évaluer les
performances de ces matériels.
normalisation
Fonctionnement permanent
Les TC destinés à fonctionner suivant
ce régime doivent satisfaire aux
normes internationales, européennes et
nationales.
■ normes internationales.
CEI 185, deuxième édition de 1987 en
cours de révision par le CE 38, elle
concerne les TC de mesure et de
protection de classe P (cf. annexe 2).
La révision en cours a pour objet principal
la refonte des clauses concernant les
caractéristiques diélectriques et
l’adjonction d’un certain nombre de
dispositions concernant uniquement les
TC pour la HTB comme les efforts
mécaniques sur les connexions, les
perturbations radioélectriques.
■ normes européennes
Cette normalisation, éditée par le
CENELEC, est faite à partir des
documents CEI. Pour les TC, en 1993,
il n’existe pas encore de documents
EN. Seuls les documents
d’harmonisation (HD) sont en cours de
discussion.
■ normes nationales
Elles sont actuellement en Europe
assez différentes les unes des autres.
A l’avenir elles seront plus proches car
elles devront toutes être conformes à la
norme EN relative au TC pour
fonctionnement en régime permanent.
■ France
La norme NF C 42-502 (février 1974) est
pratiquement conforme aux documents
CEI et le sera à la norme EN à
l’exception du mode de repérage des
bornes secondaires.
Note :
Selon la Norme NF C 42-502 la borne
secondaire reliée à la masse de
l’installation est toujours repérée S2 ;
elle est aussi la borne commune à tous
les rapports dans le cas de TC à
plusieurs rapports de transformation
obtenus par prises sur l’enroulement
secondaire. Par ailleurs, la même norme
précise que les enroulements destinés à
la mesure doivent avoir un repère impair
alors que les enroulements destinés à la
protection seront repérés par un
chiffre pair.
■ Grande Bretagne
La norme BS 3938 (février 1973) est
très proche de celle de la CEI et sera
pratiquement conforme au document
EN. Elle inclut en plus les enroulements
classe X destinés à la protection. Ce
dernier type permet une spécification
plus précise des enroulements de
protection. Cette classe pourrait être,
dans un avenir proche, introduite dans
les normes européennes EN.
■ Italie
La norme CEI 1008 (Octobre 1987)
(Comitato Electronico Italiano) est
conforme à la CEI 185. Elle sera aussi
conforme à la norme EN lors de sa
publication.
■ USA
La norme ANSI/IEEE C57 13 (1978) est
assez différente de la CEI 185 et des
normes européennes :
- les classes et les puissances de
précision ne sont pas définies dans les
mêmes termes,
- les repérages des bornes sont très
différents,
- et les appareils sont souvent plus
encombrants.
Fonctionnement transitoire
Les grands distributeurs d’énergie ont
depuis longtemps des spécifications
d’entreprise concernant le
fonctionnement des TC en mode
transitoire.
De telles spécifications ont été, et sont
encore, satisfaites par des fabrications
spéciales. Elles font l’objet d’accords
directs entre le constructeur et
l’utilisateur.
■ normes internationales.
Les prescriptions concernant les TC
pour protection, pour une réponse en
régime transitoire, sont maintenant
données au niveau international par la
norme CEI 44-6 (première édition
1992-03).
Cahier Technique Merlin Gerin n° 170 / p.9
■ normes européennes et nationales.
Il n’existe pas encore de telles normes.
La norme européenne, en cours
d’élaboration, sera très voisine de la
CEI 44-6. Les normes nationales seront
éditées par les différents organismes à
partir du document EN.
spécification d’un TC
Les différents intervenants
L’utilisateur, le concepteur du réseau,
le fabricant du système de protection et
le fabricant des TC interviennent, à des
niveaux différents, dans la spécification
des TC, chacun ayant des
préoccupations différentes.
■ le concepteur du réseau qui, pour
des raisons de sécurité de
fonctionnement, a tendance à majorer
les facteurs de dimensionnement liés
au primaire du TC :
■ tenue thermique et électrodynamique
représentée par les valeurs efficaces et
de crête des courants de court-circuit à
tenir pendant une durée généralement
égale à 1 seconde.
■ durée du régime asymétrique en
donnant des constantes de temps ou
rapport X/R surestimés.
■ le fabricant de relayage qui aussi
pour des raisons de sécurité de
fonctionnement de son matériel, a
tendance à spécifier des performances
secondaires élevées.
■ puissance de précision en
surestimant la valeur des impédances
de liaison entre relais et TC ;
■ classe de précision en demandant au
TC de ne pas introduire d’erreur
supplémentaire dans la chaîne ; alors
qu’il serait peut être plus avantageux
d’utiliser des équipements un peu plus
précis et des TC de moins bonne
précision, ce pour obtenir une précision
globale identique.
Exemple : un appareil de mesure de
classe 3 avec un TC de classe 0,5
donnent une précision globale de
classe 3,5. Dans certains cas il est plus
avantageux (financièrement) de
prendre un appareil de classe 2 et un
TC de classe 1 qui donnent, une
précision globale de classe 3. Ceci est
particulièrement vrai dans le cas des
faibles courants primaires et de fort
courant de court-circuit.
■ le fabricant de TC qui essaie de
concilier les différentes demandes, tout
en tenant compte de ses propres
Cahier Technique Merlin Gerin n° 170 / p.10
impératifs, afin de pouvoir satisfaire la
demande. Le rapport Ith / In (tenue
thermique 1s / Iprimaire assigné) donne
une bonne idée sur la faisabilité du TC,
et ce quelles que soient les performances
secondaires demandées. Par exemple :
■ I th / In ≤ 100 : le TC obtenu peut être
considéré standard avec des
performances secondaires normales.
■ 100 < Ith / In ≤ 400 : le TC répondant à
cette spécification est un TC dont la
faisabilité est étudiée individuellement,
ses performances secondaires sont
r
é
d
u
i
t
e
s
.
■ Ith / In > 400 : ce TC n’est pas toujours
réalisable. Lorsqu’il l’est, ses
performances secondaires sont très
faibles.
Les grandeurs à spécifier
Pour fabriquer un TC, plusieurs
grandeurs doivent être spécifiées.
Certaines de ces grandeurs ont des
valeurs normalisées (cf. les normes
citées dans le paragraphe
normalisation).
Pour les TC devant avoir une précision
spécifiée en régime transitoire il faut se
rapporter, soit à la norme CEI 44-6, soit
aux spécifications d’entreprises.
L’énumération ci-après ne concerne
que les TC fonctionnant dans le cadre
d’un régime permanent.
■ primaire
■ niveau d’isolement défini par trois
tensions, la plus élevée du réseau
(Um), la tension assignée de tenue de
courte durée à fréquence industrielle et
la tension de tenue au choc de foudre ;
■ le courant de court-circuit thermique
assigné (Ith) et sa durée si elle diffère
de 1 s ;
■ la tenue électrodynamique (Idy) si sa
valeur crête diffère de 2,5 Ith ;
■ le courant primaire assigné
Les règles de l’art de la profession
veulent que le courant nominal du
réseau sur lequel est installé un TC soit
compris entre 40 et 100 % du courant
primaire assigné du TC.
■ secondaire
La fonction, mesure ou protection,
du secondaire doit être précisée.
Elle entraîne des contraintes et des
spécifications différentes. Dans les
deux cas il faut spécifier le courant
secondaire assigné (1 ou 5 A).
■ mesure
Il faut spécifier la puissance de
précision (en VA) la classe de précision
et le facteur de sécurité (FS) maximal
généralement compris entre 5 et 10,
très exceptionnellement inférieur à 5.
Note : Le facteur de sécurité est le
rapport entre le courant primaire pour
lequel l’erreur de rapport de
transformation est supérieure ou égale
à 10 %, et le courant primaire assigné.
Les différentes classes de précision et
les contraintes en découlant sont
données dans les différentes normes.
Pour les appareils de tableau une
classe 1 est généralement amplement
suffisante. La désignation usuelle d’un
tel secondaire est faite comme
ci-après.
10 VA Cl1 FS < 10
facteur de sécurité < 10
classe de précision = 1
puissance de précision = 10 VA
protection
Il y a deux manières de spécifier les
enroulements destinés à la protection.
- Suivant la CEI 185 et les normes
européennes : en spécifiant la
puissance de précision (en VA),
la classe de précision (5P ou 10P)
et le facteur limite de précision
(FLP).
La classe de précision donne l’erreur
composée maximale admise sur le
courant secondaire pour un courant
primaire égal à FLP fois le courant
primaire assigné ( 5P = 5 %,
10P = 10 %). Les caractéristiques et
les contraintes associées aux
différentes classes de précision sont
données par les différentes normes.
Les enroulements sont alors désignés
comme suit.
■
10 VA 5P 10
facteur limite
de précision = 10
classe de précision = 5P
puissance de précision = 10 VA
- Suivant la BS 3938 : en spécifiant
la valeur en volts de la tension
d’excitation au coude de saturation
(Vk), la résistance maximale de
l’enroulement (Rct) et le cas échéant
le courant d’excitation maximal (Io)
pour la tension Vk. Dans ce cas les
enroulements sont désignés comme
suit.
0,050 150 R 0,50
résistance Rct en Ohms
tension Vk en Volts
courant Io en Ampères
Les imperfections des TC
Les imperfections magnétiques
(saturation, rémanence, pertes par
courant de Foucault et par hystérésis)
sont, dans les TC, génératrices
d’imprécisions : erreur de rapport et de
phase, linéarité imparfaite, réponse
dépendant des situations
antécédentes… D’autres
imperfections sont liées à
l’environnement électromagnétique
et électrique du TC.
■ phénomènes magnétiques
Saturation et hystérésis sont les deux
principaux phénomènes
«perturbateurs» : un TC saturé délivre
un signal qui n’est plus sinusoïdal et sa
précision ne peut plus être garantie
(erreurs de rapport et de phase
fortement amplifiées).
Ces phénomènes apparaissent :
■ pendant un régime transitoire, par
exemple fermeture d’un circuit sur
défaut avec ou sans composante
continue, l’état de saturation atteint
dépend de l’état magnétique initial du
circuit magnétique (présence plus ou
moins importante d’une induction
rémanente) ;
■ en régime permanent de court-circuit
si la valeur de celui-ci est supérieur à
FLP fois le courant primaire assigné ;
■ lorsque la valeur de la charge, à
laquelle est raccordé le TC, est
supérieure à sa charge de précision,
cas des connexions de grande
longueur ou des adjonctions
d’équipements dans le circuit de charge
d’un enroulement secondaire ;
■ si la fréquence du réseau est
inférieure à la fréquence assignée :
l’utilisation en 50 Hz de TC ayant une
fréquence assignée de 60 Hz provoque
une augmentation d’induction de 20 % ;
par contre une utilisation en 60 Hz de
TC de fréquence assignée 50 Hz ne
présente pas de risques.
Le fonctionnement en régime saturé ne
doit pas être maintenu. La saturation
provoque des échauffements anormaux
des constituants actifs du TC :
■ du circuit magnétique, car les pertes
par hystérésis et courants de Foucault
deviennent importantes ;
du bobinage secondaire, car les
courants, bien que fortement déformés,
sont aussi très grands.
■ phénomènes externes
■ positions du conducteur primaire et
des conducteurs voisins.
Leurs géométries et leurs positions
respectives peuvent altérer de façon
non négligeable la précision des
transformateurs de mesure. Ces
altérations sont dues à la non linéarité
des matériaux ferromagnétiques. Le
cas typique est celui des
transformateurs de courant installés
dans une boucle (cf. fig. 6) ou ceux
installés en quinconce dans un jeux de
barres (cf. fig. 7). Ces deux montages
provoquent un accroissement localisé
de l’induction d’où introduction d’une
erreur.
■
PR
Le conducteur de retour ou de la
phase voisine (PR) crée un champ
magnétique perturbateur dans le
circuit magnétique (CM) ; ce champ
s’ajoute vectoriellement à celui crée
par le courant I1 à mesurer du
conducteur qui le traverse
normalement (PA). Cette addition
vectorielle conduit à une
augmentation de l’induction dans la
zone A.
Cet accroissement d’induction est
fonction :
- du courant circulant dans le
conducteur perturbateur,
- de la distance existant entre le
circuit magnétique et ce courant
perturbateur.
Il conduit alors à des saturations
locales qui provoquent une
augmentation de la valeur du
courant d’excitation (Ie) et par
conséquent des erreurs.
PA
À
,
@
€
,
@
€
À
,À
@
€
À
,
@
€
I1
A
A
CM
→
BPA
coupe AA
→
B
→
→
BPR
BPR
→
BPA
→
B
zone A d'augmentation d'induction
fig. 6 : schéma d’un TC traversant dont le circuit primaire est en boucle.
TC2
TC1
,
À
€
@
À
€
@
,
À
€
@
,
À
€
@
,
,
@
€
À
,
@
€
À
TC1
TC3
I1
I2
I3
TC2
TC3
zones d'augmentation d'induction
fig. 7 : schéma de trois TC traversants installés en quinconce dans un jeu de barres.
Cahier Technique Merlin Gerin n° 170 / p.11
■ cycle de réenclenchements
Après coupure d’un courant de
court-circuit primaire, le retour à la
valeur de rémanence de l’induction dans
le noyau magnétique du TC n’est pas
instantané. La décroissance de cette
induction se fait suivant une loi
exponentielle ayant une constante de
temps T2 ; cette dernière est fonction du
circuit secondaire, elle est généralement
comprise entre une et trois secondes.
Lors d’un réenclenchement rapide, il
existe donc dans le circuit magnétique
du TC, une induction rémanente qui
s’ajoute vectoriellement à l’induction
créée par le courant en cours
d’établissement (cf. fig. 8). Si les deux
inductions sont de même signe et si le
TC n’a pas été dimensionné de façon à
garantir une précision donnée en régime
transitoire, il est fort probable que le
signal secondaire délivré par ce TC ne
soit en rien comparable au courant
primaire le traversant.
■ précautions à prendre avec les TC
■ en régime permanent :
- le dimensionnement du TC doit être
compatible avec l’usage auquel il est
destiné.
- la somme des impédances d’entrée de
tous les relais et/ou des appareils de
mesure à laquelle il faut ajouter la valeur
de l’impédance de filerie doit être
inférieure ou au plus égale à
l’impédance de précision. Cette dernière
s’obtient en divisant la puissance de
précision assignée par le carré du
courant secondaire assigné.
- les conditions d’installation ne doivent
pas entraîner de saturation locale
importante. Les installations en
quinconce (cf. fig. 7) sont à proscrire.
■ en régime transitoire, pour les
secondaires de protection uniquement :
- dans le cas général des protections à
temps constant, pour prendre en
compte tout ou partie des phénomènes
d’hytérésis, il suffit de vérifier que la
valeur du courant de réglage
d’intervention (de la protection) divisée
par la valeur du courant secondaire
assigné du TC, est inférieure à deux fois
le facteur limite de précision du
secondaire concerné.
- pour les protections à temps
dépendant (différentielle,
homopolaire, …) s’assurer que la
spécification du TC est conforme aux
recommandations du fabricant des
relais.
Cahier Technique Merlin Gerin n° 170 / p.12
(primaire)
Ip
t
(secondaire) Is
t
(induction)
B
t
fig. 8 : évolution des courants et de l’induction dans un TC non saturé.
- si une réponse précise est nécessaire
dans cette période de fonctionnement,
il faut spécifier et concevoir les TC en
respectant les différentes classes
définies dans la CEI 44-6
(cf. annexe 1). Cette norme conduit
toujours à un surdimensionnement
important des TC.
La nécessité d’un flux rémanent faible
(cas des réenclenchements) conduit à
l’utilisation de circuit magnétique à
entrefer. C’est ainsi que sont obtenus
les TC dits linéarisés (cf. TPZ dans la
norme CEI 44-6).
généralement assurée par un dispositif
intégré au disjoncteur BT, est souvent
autonome : l’énergie nécessaire à son
fonctionnement est fournie par le TC de
détection des courants différentiels
résiduels.
Les performances demandées à ces
TC nécessitent généralement des
matériaux ferromagnétiques ayant une
très grande perméabilité relative (µr), à
base de nickel, donc coûteux. Il existe
une méthode rapide de
dimensionnement de ce type de TC
(cf. annexe 3, bibliographie : article
dans la revue RGE n°4).
applications particulières
Mesure du courant homopolaire (Io)
Mesure des courants différentiels
résiduels
Dans les réseaux de distribution
BT la protection des personnes
se fait fréquemment par la
surveillance de la valeur du courant
différentiel résiduel. Cette protection
C’est le courant résultant de la somme
vectorielle des trois courants de phase
d’un circuit triphasé. Cette somme peut
être réalisée de deux façons.
■ par sommation des courants
secondaires de trois TC (montage de
Nicholson).
Pour cela il faut utiliser des TC de
même rapport de transformation, en
s’assurant que les connections
primaires et secondaires respectent
bien les polarités (sens d’enroulement)
des différents bobinages primaires et
secondaires (cf. fig. 9).
Dans cette méthode deux phénomènes
limitent les seuils de détection :
■ en régime permanent, les différences
d’erreur de rapport de transformation et
de phase font que la somme vectorielle
n’est pas nulle ; d’où un «faux courant
hompolaire» qui peut ne pas être
compatible avec les seuils désirés.
L’appairage des TC (en phase et en
module) permet d’abaisser les seuils
pratiques ;
■ en régime transitoire, la saturation et
l’hystérésis des circuits magnétiques
provoquent le même défaut. Un surdimensionnement des TC repousse le
seuil d’apparition du phénomène.
Ces solutions (appairage et surdimensionnement) ne permettent
généralement pas la détection d’un
courant Io inférieur à 6 % des courants
de phase.
■ par sommation des flux
Pour pallier le manque de précision de
la première méthode et contourner les
contraintes qu’elle impose, il est
possible de faire la mesure des
courants Io par l’intermédiaire d’un TC
torique unique ou «tore» : son circuit
magnétique est traversé par les trois
courants de phase I1, I2, I3 du réseau
triphasé (cf. fig. 10). Avec une
conception adaptée (matériau
ferromagnétique, dimension et charge
de précision) et certaines précautions
d’installation du tore (regroupement des
câbles et centrage de ceux-ci,
éventuellement utilisation d’un
manchon ferromagnétique), cette
méthode autorise la mesure de très
faibles valeurs de courant Io, avec une
bonne précision (erreur de module de
l’ordre de 1 % et erreur de phase
inférieure à 60 minutes d’angle) :
quelques centaines de mA en HTA et
une dizaine de mA en BT.
■ détection de défaut
Dans les réseaux de distribution HTA,
l’emploi des détecteurs de défauts
facilite la localisation rapide de ces
derniers permettant ainsi une
minimisation de la partie de réseau non
alimentée et de la durée de la coupure.
La signalisation du passage du courant
de défaut, donnée par ces détecteurs,
peut être envisagée de deux manières :
■ par voyants mécaniques ou
électriques placés en des lieux d’accès
aisés aux personnels chargés de
l’exploitation (cas des postes MT / BT
en réseau urbain ou rural souterrain).
■ par télétransmission au centre
d’exploitation pour les détecteurs de
défauts placés sur les interrupteurs
télécommandés des réseaux de
distribution publique.
Ces détecteurs de défauts sont
alimentés par des TC qui ne sont
régis par aucune norme : ce sont
les ensembles TC - détecteur de
défaut qui sont spécifiés par les
exploitants.
forte augmentation de la tension aux
bornes du secondaire. Des tensions
crêtes ou instantanées supérieures à
5 kV peuvent être atteintes. Ces
tensions peuvent être mortelles pour
les personnes et provoquer la
destruction du matériel.
Conclusions pratiques :
■ il ne faut en aucun cas ouvrir le circuit
secondaire d’un transformateur de
courant en service.
■ toute intervention sur la charge d’un
TC en fonctionnement doit être
précédée par l’installation d’un
court-circuit de très bonne qualité entre
ses bornes secondaires.
I1
P1
comportement en CEM
En HTA la CEM des TC peut être
considérée comme satisfaisante.
En HTB les écrans répartiteurs de
champ électrique plus ou moins
parfaits, de présence obligatoire,
peuvent conduire à une CEM non
satisfaisante du TC.
La capacité de couplage existant
entre les enroulements primaire et
secondaire des TC participe à la
transmission des perturbations du
circuit primaire au circuit secondaire. La
valeur de cette capacité est fonction de
la tension d’isolement du TC, des
caractéristiques du secondaire et de la
technologie d’isolation employée.
Certaines spécifications d’entreprises,
pour les tensions Um > 123 kV donnent
une valeur maximale du facteur de
transmission des perturbations. Cette
grandeur est mesurée au cours d’un
essai de type décrit dans la
spécification. L’introduction dans la
normalisation internationale de cette
notion est en cours de discussion au
sein du CE 38.
un risque particulier
Il est dangereux d’ouvrir le circuit
secondaire d’un TC.
Le flux d’induction magnétique circulant
dans le noyau magnétique est la
somme de deux flux de signes opposés :
l’un résultant de la présence d’un
courant primaire, l’autre de la présence
du courant secondaire. L’annulation de
ce dernier par ouverture du circuit
secondaire augmente fortement le flux
dans le noyau, provoquant une très
P2
S1
I2
P1
S1
P1
S1
S2
P2
S2
I3
P2
S2
Io
fig. 9 : raccordement de trois TC pour la
mesure du courant homopolaire (montage
de Nicholson).
I1
I2
I3
L
tore
manchon
métallique
L manchon > 2ø tore
regroupement
et centrage des
conducteurs
fig. 10 : mesure du courant à l’aide d’un tore.
Cahier Technique Merlin Gerin n° 170 / p.13
4. capteur de courant à bobine de Rogowski
Le principe de ce capteur de courant a
été donné par ROGOWSKI en 1912.
Ce type de capteur, noté par la suite
capteur CS, est développé depuis 1986
de façon industrielle pour les réseaux
HTA.
fonctionnement
Principe physique
L’application du théorème d’Ampère à
une bobine de Rogowski (cf. fig. 3)
montre que la tension apparaissant aux
bornes d’une charge Z de très forte
valeur est une fonction du courant
I = i(t).
Le courant I à mesurer crée
localement, au niveau de chaque spire,
une induction b = µ0 . h, µ0 étant la
perméabilité du vide, le support de
bobinage n’étant pas réalisé à l’aide
d’un matériau ferromagnétique, et h le
champ magnétique correspondant au
courant I. Le flux embrassé par
l’ensemble de la sonde a pour
expression :
ø = ∑ spires . π .r 2 .b
Composants diélectriques
isolement diélectrique
Comme pour les transformateurs de
courant, le primaire et le secondaire
d’un capteur CS sont isolés l’un de
l’autre, par une résine diélectrique
solide en HTA.
ø = N. π .r . µ 0 .h
et par application du théorème
d’Ampère :
i(t)
ø = N. π .r 2 . µ 0 .
2. π .R
La force électromotrice développée
dans le bobinage s’écrit :
Si
i(t) = I . 2 . sin( ωt + ϕ )
donc di / dt =
 N.r 2 . µ 0 
e(t) = - 

 2 .R 
. cos (ωt +
blindage magnétique
isolement
diélectrique
résistance
de réglage
fig. 11 : coupe d’un capteur CS destiné à la HTA.
L
i2 = N1. I 1/N2
Ι1
ω.I. 2
enroulement secondaire
support de bobinage
secondaire
écran
diélectrique
ω. I . 2 . cos (ωt + ϕ )
et
Schéma équivalent
Il est possible de concevoir deux
schémas équivalents :
■ le premier (cf. fig. 12) s’inspire
de celui des TC par la présence
d’un transformateur idéal, avec :
enroulement
primaire
2
 N.r 2 . µ 0   di 
dø
= 
  .
dt
 2.R   dt 
Modélisation
De la même manière que pour les TC,
pour l’étude du fonctionnement d’un CS
il est pratique de concevoir et
d’exploiter un modèle.
Le modèle proposé, par la suite, n’est
valable que pour les fréquences
industrielles. Dans le cas de
fréquences élevées (plusieurs
centaines de kHz) il faut introduire les
capacités réparties du bobinage
secondaire ainsi que les différentes
capacités de couplages primairesecondaire, primaire-masse et
secondaire-masse.
■
Si toutes les N spires sont de section
identique et si leurs centres sont situés
sur un même cercle de diamètre R
pouvant être considéré comme très
grand devant leur propre rayon r, il est
alors possible d’écrire :
e(t) = -
■ écran diélectrique
Dans le but d’améliorer le
comportement en CEM du système, un
écran diélectrique mis à la masse est
placé entre le primaire et le bobinage
secondaire.
Composants électromagnétiques
Un capteur CS est constitué de cinq
parties (cf. fig. 11).
■ un enroulement primaire constitué
par un seul conducteur en cuivre dont
la section est déterminée par :
■ un courant primaire d’échauffement,
■ un courant de court-circuit assigné ;
■ un support de bobinage secondaire
généralement torique et constitué d’un
matériau non ferromagnétique ;
■ un enroulement secondaire, bobiné
sur le support ;
■ une résistance d’ajustage raccordée
à l’enroulement secondaire ;
■ un blindage magnétique protégeant
le bobinage des possibles perturbations
liées aux champs magnétiques
extérieurs au capteur.
L1
ϕ)
Cahier Technique Merlin Gerin n° 170 / p.14
Rt
Ra
N1 N2
ϕ)
= - K . ω . I . 2 . cos(ωt +
Lf
fig. 12 : schéma équivalent de type TC d’un capteur CS.
Zc
L = valeur de l’inductance de la filerie
de raccordement du capteur à sa
charge M,
■ Lf est l’inductance de fuite du
bobinage. L’enroulement secondaire
des capteurs CS est à spires jointives
très bien réparties sur le support. Son
inductance de fuite de très faible valeur
peut donc être négligée,
■ L1 . ω = impédance magnétisante
du générateur de courant
équivalent,
■ Rt = somme des résistances du
bobinage et du raccordement,
■ Ra = résistance de réglage,
■ Zc = impédance de la charge M à la
fréquence considérée.
■ le deuxième (cf. fig. 13) inclut un
générateur de tension découlant de
l’étude théorique. C’est ce schéma qui
sera utilisé par la suite.
■
Les capteurs CS ne possèdent
pas de circuit magnétique, ils
ne sont donc pas soumis aux
phénomènes de saturation ou
de flux rémanent. De ce fait,
parfaitement linéaires ils donnent au
secondaire une image presque parfaite
des régimes permanent et transitoire
du primaire.
Les tolérances de fabrication sur
les dimensions du support de
bobinage et sur la valeur du nombre
de spires (plusieurs milliers) sont
compensées par une résistance (Ra)
d’ajustage.
Lf
Dans ce schéma équivalent :
E0 (t) = - K . ω . I . 2 . cos (ωt +
Equations
Le diagramme vectoriel (cf. fig. 14) est
établi à partir du schéma équivalent de
la figure 13. Ce diagramme permet
d’obtenir les relations suivantes:
U(t) = E0 (t) − (Ra + Rt + jL . ω )i2 (t)
fonctionnement en régime
permanent et transitoire
avec i2 (t) = U(t) / Zc.
Analyse des erreurs
■ erreur de rapport et de phase
L’image parfaite du courant primaire
pour un capteur CS est le vecteur E
déphasé de π/2 en retard par rapport au
courant I1 ; c’est-à-dire en phase avec
E0 sur la figure 15. Le module de ce
vecteur est donné par E = K1 . I1, avec
K1 constante représentant le rapport de
transformation à une fréquence donnée.
L
Rt
Ra
ϕ)
E0(t) est une source de tension
proportionnelle au courant primaire.
Elle est déphasée en retard
de π/2 par rapport au courant i(t),
avec
Eo
■
N.r 2 . µ 0
, où
2.R
■ le produit K . ω représente le rapport
de transformation, il s’exprime en Volt
par Ampère (V/A).
K =
normalisation
A ce jour aucune norme internationale
ou nationale ne régit ce type de
capteur. Aussi les capteurs CS
actuellement commercialisés
satisfont la norme CEI 185 sauf pour
les paramètres concernant le signal
secondaire qui alimente des unités de
protection et contrôle-commande bien
spécifiques. Ces unités sont d’une
technologie à microprocesseur. Elles
permettent par un simple paramétrage,
à partir d’un clavier et d’un afficheur,
de réaliser l’ensemble des fonctions
(protection, mesure, automatisme et
communication) adaptées à chaque
installation.
Nota :
Actuellement ces capteurs CS et unités
de protection et contrôle-commande
SEPAM sont conçus et commercialisés
par un seul et même constructeur
(Merlin Gerin).
Zc
U
fig. 13 : schéma équivalent avec générateur de tension d’un capteur CS.
Ι1
E0
L . ω . i2
ψ
U
ϕ
ϕ
(Ra + Rt) i2
i2
fig. 14 : diagramme vectoriel d’un capteur CS.
E0
= plage de réglage liée à Ra
réglage optimum = ε(reg) minimun
E
ε(nat) = erreur naturelle (de fabrication)
ε(reg) = erreur après réglage.
L . ω . i(t)
ε(reg)
Ι1
ε(nat)
A
U
i(t)
Ra . i(t)
Rt . i(t)
fig. 15 : diagramme vectoriel, avec erreur, du capteur CS.
Cahier Technique Merlin Gerin n° 170 / p.15
Comme tous les capteurs le signal
secondaire des capteurs CS est entaché
d’une erreur. Cette erreur est définie
comme étant le vecteur représentant la
différence des vecteurs E et U, c’est le
vecteur ε(net) sur le diagramme de la
figure 15.
Elle est minimisée en fin de fabrication
par le réglage du potentiomètre Ra→à une
valeur donnant un vecteur erreur ε (reg)
minimal. Ce réglage du capteur est
adapté aux entrées courant des unités
de protection et de contrôle-commande
pour lesquelles il a été conçu. La valeur
maximale de ce vecteur erreur a été fixée
à 1 % de la valeur du vecteur de
référence pour tout courant primaire
compris entre 0.2 et 10 fois le courant
primaire assigné, et à 5 % pour un
courant de 200 fois le courant primaire
assigné.
Avec ces erreurs maximales les capteurs
CS d’un même rapport de transformation
sont tous parfaitement interchangeables
et sont pratiquement identiques en
terme de précision (cf. fig. 16) à
des TC de classe :
■ 0,5 pour la mesure,
■ 5P pour la protection.
■ linéarité
Le capteur CS est linéaire :
e(t) = K . ω . I . 2 . cos (ωt + ø)
Cette linéarité lui confère beaucoup
d’avantages, notamment :
■ la possibilité de réduire la variété de
rapports de transformation et ainsi
favoriser les possibilités de
standardisation. Les rapports de
transformation sont imposés par la
dynamique de l’électronique de l’unité de
contrôle-commande à laquelle le capteur
est associé et par le niveau de
discrimination souhaité pour celle-ci.
■ une bonne réponse en régime
transitoire. L’absence de saturation,
d’hystérésis et de flux rémanent, permet à
ces capteurs d’avoir une réponse parfaite
en régime transitoire. Ainsi sans
précaution particulière ce type de capteur
s’installe sur des réseaux sur lesquels il
est nécessaire que les protections
interviennent rapidement pendant les
régimes transitoires, notamment sur les
réseaux à constante de temps longue ou
comportant des matériels de type blindés
à isolement gazeux (présentant un risque
d'explosion).
Influences externes
La réponse de ces capteurs CS, comme
celle des TC, peut être, dans certaines
conditions, influencée par l’environnement.
Cahier Technique Merlin Gerin n° 170 / p.16
une modification de la charge
secondaire de ce type de capteur
entraîne une variation d’erreur. Pour
atténuer ces variations, un CS étant
une source de tension, il faut que sa
charge purement résistive soit la plus
élevée possible (≥ 10 kΩ).
■ la fréquence
Le signal délivré par ce type de capteur
est une fonction de la dérivée du
courant primaire (cf. § principe
physique). Pour s’affranchir de
l’influence de la fréquence, il faut que le
signal du capteur CS soit traité par un
amplificateur intégrateur de précision.
■ position du conducteur primaire
Le théorème d’Ampère ne fait pas
référence à la position relative du courant
(conducteur primaire) et du contour fermé
(bobinage secondaire) auxquels il est
appliqué. Cette remarque indique que le
capteur est théoriquement insensible au
positionnement relatif de ses composants.
Cependant des imperfections de
réalisation du bobinage secondaire
peuvent le rendre légèrement sensible. Il
faut donc, à l’installation des capteurs à
primaire non intégré (BT) , assurer un
centrage et un azimutage relatif entre
primaire et secondaire assez précis. Sans
cette précaution des erreurs de l’ordre de
3 % peuvent être atteintes.
■ position des conducteurs voisins
Un
conducteur voisin, parcouru par le courant
d’une autre phase ou de retour pour une
boucle (cf. fig. 6), produit un champ
magnétique
qui
s’additionne
vectoriellement à celui créé par le courant
à mesurer et de ce fait, modifie la réponse
du capteur. Les capteurs CS doivent être
protégés contre ce type de perturbation.
■
spécification des capteurs
de courant à bobine de
Rogowski
Les capteurs CS et les unités de
protection et de contrôle-commande
sont fournis par un même industriel. La
spécification des CS est donc beaucoup
plus simple pour le client final. Il n’a pas
à spécifier, comme il doit le faire pour
les TC, les caractéristiques du
secondaire (courant secondaire,
puissance de précision, classe de
précision et facteur limite de précision).
Il lui reste à préciser seulement :
■ le niveau d’isolement du capteur défini
comme pour un TC ;
■ le courant de court-circuit thermique
assigné(Ith), et le courant dynamique
(Idyn) établis selon les mêmes règles
que pour les TC ;
■ la plage d’utilisation (courant primaire
assigné et courant d’échauffement). Par
exemple il existe quatre plages
d’utilisation (30-300, 160-630, 160-1600,
500-2500 A) avec les CS de fabrication
Merlin Gerin.
comportement en CEM
Le capteur CS a une faible capacité de
liaison primaire - secondaire (≈ 20 pF
en HTA). La présence d'écrans,
diélectrique et magnétique, mis au
potentiel de la masse, empêche
la transmission des perturbations
conduites (à partir du réseau
primaire MT) et rayonnées.
L'ensemble CS, unité de protection
et de contrôle-commande a donc
un bon comportement en CEM.
±60'
±30'
0
A
classe 1
classe 0,5
classe CSp
A
±0,5 %
= vecteur ε(reg)
0
±1 %
fig. 16 : comparaison des précisions des capteurs TC et CS.
Le point A situe le fonctionnement d’un capteur CS qui satisfait tout à la fois aux exigences de
précision des TC de classe 0,5, et des TC de classe 1.
5. capteurs hybrides
Les signaux délivrés par les TC et
les CS sont directement utilisés par
les unités de protection et de contrôlecommande. Il existe d’autres capteurs
de courant dont le signal, avant
d’être utilisé par ces unités, doit être
traité électroniquement, ce sont les
capteurs hybrides. Ils ont tous un
diagramme semblable à celui de la
figure 17.
Diagramme
Il peut comporter jusqu’à six éléments :
■ élément sensible primaire
Il utilise les différents effets (optique,
électronique ou électrique) des
matériaux soumis à un champ
magnétique créé par le courant à
mesurer.
■ convertisseur primaire
Il convertit l’effet utilisé par l’élément
sensible en un signal fonction du
courant primaire et adapté au système
de transmission.
■ système de transmission
Il véhicule sur une distance plus ou
moins grande le signal émis par le
convertisseur primaire.
■ convertisseur secondaire
Il transforme ce signal, représentatif du
courant primaire, en un signal électrique
utilisable par les unités de protection et
de contrôle-commande.
■ alimentation primaire
Elle fournit l’énergie nécessaire à
l’élément sensible, au convertisseur
primaire et éventuellement au système
de transmission.
Ι
courant
primaire
élément
sensible
primaire
convertisseur
primaire
alimentation
primaire
fig. 17 : diagramme des capteurs hybrides.
alimentation secondaire
Elle fournit l’énergie au convertisseur
secondaire et éventuellement au
système de transmission.
Dans certains capteurs ces deux
alimentations, primaire et secondaire,
peuvent être confondues.
■
Les éléments sensibles
Les capteurs hybrides ont fait l’objet au
cours de ces dernières années
d’importants programmes de
développement. Différents effets du
champ magnétique ont été utilisés dans
les éléments sensibles primaires et
notamment :
■ optique
Utilisation des effets du champ
magnétique sur les caractéristiques de
la lumière (capteur optique de courant).
L'optique peut être aussi utilisée
uniquement comme système de
transmission à partir d’un élément
primaire sensible de type quelconque.
Cette transmission se fait alors par fibre
optique. L’emploi de dispositifs
obéissant à la physique de la lumière
(élément sensible et système de
transmission) confère au capteur un
isolement galvanique parfait. Cet
avantage a été exploité dans beaucoup
de programmes de développement,
dont certains ont abouti au capteur de
courant à effet Faraday.
■ électronique
Influence d’un champ magnétique sur
un semi-conducteur (capteur de courant
à effet Hall) et sur un matériau
système de
transmission
convertisseur
secondaire
alimentation
secondaire
signal
secondaire
(i ou u)
ferromagnétique (variation de
résistivité exploitée dans
les capteurs de courant magnétorésistant).
■ électrique
Le flux créé dans un circuit
magnétique par le champ magnétique
issu du courant à mesurer, est annulé
par un flux magnétique provoqué et
régulé à l’aide d’un courant auxiliaire
(transformateur de courant à flux nul).
capteurs optiques à effet
Faraday
Pour la bonne compréhension de la
suite il est nécessaire de faire
quelques rappels en ce qui concerne
la physique de la lumière.
Rappels
■ polarisation
C’est un phénomène propre à la
propagation des ondes, en particulier
lumineuses, caractérisées par leur
direction de vibration dans un plan
déterminé, appelé plan de
propagation, contenant la direction de
propagation.
Quand ce plan garde une direction
fixée dans le temps, les ondes
lumineuses ont une polarisation
linéaire. S’il tourne autour de la
direction de propagation à une
vitesse constante, la polarisation est
elliptique ou, dans un cas particulier,
circulaire.
■ biréfringence
Certains corps naturels présentent le
phénomène de biréfringence. Une
lumière plane qui les traverse ne se
propage pas à la même vitesse
suivant que son plan de polarisation
est parallèle à l’une ou l’autre des
deux directions perpendiculaires
propres au corps biréfringent. La
biréfringence peut être intrinsèque
(matériaux anisotropes) ou induite par
une contrainte :
■ mécanique ou effet photo-élastique,
■ électrique ou effet électro-optique
Kerr ou Pockels,
■ magnétique ou effet magnétooptique Faraday.
Cahier Technique Merlin Gerin n° 170 / p.17
,y€~}|{zy,
~{€~€}|y,
y
,
~{~}{z€~}|{zy,€~}|zy,
€~}|{z €}|
Effet Faraday
En 1845 Michael Faraday découvrit que
le plan de polarisation d’une lumière
polarisée, traversant un morceau de
verre placé dans un fort champ
magnétique et se propageant
parallèlement à ce champ, tourne.
L’angle (F) de rotation de la polarisation
est proportionnel à la circulation du
champ magnétique (H) le long du
chemin optique L (cf. fig. 18).
milieu optique
à effet Faraday
lumière incidente
polarisation linéaire
F
F = V. ∫H . dL
Dans cette équation V est une
caractéristique du milieu optique. C’est
la constante de Verdet. Elle est
généralement faible et dépend, plus ou
moins fortement, de la température.
L’effet Faraday étant dispersif il faut
utiliser une lumière monochromatique (à
fréquence unique).
Réalisation pratique
Cet effet est exploité avec des cristaux
ou des fibres optiques, dans les deux
cas il est nécessaire d’avoir une source
lumineuse et de traiter l’information
optique afin de pouvoir la rendre
utilisable par les unités de protection et
de contrôle-commande.
■ source lumineuse
C’est souvent une diode laser
monomode ayant une longueur d’onde
voisine de 780 nanomètres, la constante
de Verdet étant maximale dans cette
partie du spectre de longueurs d’onde.
■ cristal optique
Il est possible d’utiliser un ou plusieurs
cristaux qui entourent plus ou moins le
conducteur dans lequel circule le
courant à mesurer (cf. fig. 19a). Dans la
configuration d’optique en champ libre,
c’est généralement le cas avec les
cristaux, les problèmes d’alignement
mécano-optique sont particulièrement
importants.
■ fibre optique
La technique d’optique guidée utilise
comme élément sensible une fibre
optique monomode qui peut faire
plusieurs tours autour du conducteur
primaire (cf. fig. 19b). Dans ce cas
l’application du théorème d’Ampère
permet d’écrire :
F = V .N. I
Cette technique permet d’obtenir une
plus grande sensibilité.
Les capteurs à fibre optique ne sont pas
sensibles aux courants extérieurs
(conducteur de retour, autres phases,
autres circuits), alors que les capteurs
Cahier Technique Merlin Gerin n° 170 / p.18
angle de rotation
du plan de
polarisation
lumière transmise
polarisation linéaire
L
champ
magnétique
H
fig. 18 : représentation graphique de l’effet Faraday.
a - éclaté d'un capteur à cristal optique.
b - schéma d'un capteur à fibre optique.
Ι
4 cristaux constituant
l'élément sensible
L
conducteur
primaire
L
SSP
F2
connexion
monomode
L
F1
F3
L
LSR
PR
P
analyseur
P
diode
laser
polariseur
P
électronique
lentille
connecteurs
fibre optique
LSR
L
F1
F2
F3
I
SSP
P
PR
fig. 19 : capteurs de courant à effet Faraday .
lame semi-réfléchissante
lentilles Selfoc
fibre optique à maintien de
polarisation
fibre capteur
fibres optiques multimodes
courant à mesurer
système séparateur/polariseur à 45°
photodiodes
photodiodes de référence
Précision
Les capteurs optiques (à fibre ou à
cristal) sont sensibles aux conditions
extérieures (température, source
d’énergie auxiliaire). Leur précision en
est donc affectée.
■ influence de la température
Cette dernière influe sur deux
paramètres :
■ la constante de Verdet V
■ la biréfringence du milieu optique,
■ la longueur d’onde de la lumière
émise par la diode laser.
Pour fonctionner dans les conditions
rencontrées sur les réseaux
électriques, les capteurs optiques
doivent être compensés en
température (cf. annexe 3, [5]). Cette
compensation peut être faite :
■ par action permanente sur l’élément
sensible optique (double torsion de la
fibre, parcours aller et retour de la fibre
par la lumière, compensation thermique
du cristal, etc.),
■ par maintien de la diode laser à une
température compatible avec la
précision recherchée,
■ par la prise en compte de la
température réelle de chaque élément
dans la chaîne de mise en forme du
signal de sortie.
■ influence des contraintes
mécaniques. Le cristal ou la fibre
optique doit avoir un très faible taux de
biréfringence afin de ne pas modifier la
polarisation de la lumière en l’absence
de champ magnétique. Les contraintes
mécaniques sur le cristal ou sur la fibre,
liées aux variations de température,
comme à la mise en œuvre et
l’exploitation, ne doivent pas modifier
ce taux de biréfringence.
■ influence de l’électronique de
conversion du signal. Le cristal et la
fibre optique sont parfaitement
linéaires. Par contre l’électronique de
traitement est limitée dans sa
dynamique, pour une précision donnée,
par :
■ sa bande passante ;
■ son aptitude à détecter à 2.π près
l’angle de rotation du plan de
polarisation, mais des techniques
numériques de traitement
du signal permettent de corriger
ce point ;
■ les tensions d’alimentation des
composants constituant le ou les
convertisseurs primaires et
secondaires.
Malgré toutes ces difficultés, les
techniques actuelles permettent de
réaliser des capteurs optiques de
courant ayant une précision
comparable à celles des TC
(cf. fig. 20).
a - du domaine HTA (Merlin Gerin), avec :
au premier plan un capteur optique avec
son conducteur à fibre optique enroulé,
■
au deuxième plan un capteur TC
conventionnel équivalent, mais plus
volumineux.
■
➞
à cristaux optiques le sont plus ou
moins selon leur technologie de
construction.
Par contre les caractéristiques optiques
de l’élément sensible (cristal ou fibre)
sont particulièrement affectées par les
variations de température et de
contraintes mécaniques.
■ conversion du signal optique en
signal électrique. Cette conversion se
fait par comparaison des faisceaux
lumineux émis et reçus. Elle utilise
généralement des prismes polariseursséparateurs associés à des
photodiodes qui transforment le signal
lumineux en signal électrique
analogique. Ce dernier est ensuite
traité et amplifié pour être rendu
utilisable par les unités de protection et
de contrôle-commande.
Comportement en CEM
L’isolement galvanique entre les
circuits (primaire et secondaire) étant
parfait (pas de capacité de liaison), le
comportement en CEM (perturbations
conduites) d’un tel capteur est bon.
Mais ce comportement peut être affecté
par celui de ses convertisseurs primaire
et secondaire sensibles aux
perturbations rayonnées (blindages,
positionnement relatif, etc.).
A noter que cet isolement galvanique
parfait est, en terme de sécurité, un
atout majeur pour ce type de capteur :
il supprime les risques d’explosion
existants en HTB avec les TC à
isolement dans l’huile.
capteurs de courant à effet
Hall
Effet Hall
Une plaquette semi-conductrice
traversée par un courant i et plongée
dans un champ d’induction magnétique
→
B développe entre deux faces une
différence de potentiel appelée tension
de Hall VH répondant à la relation :
VH = K .i.B
où K est le coefficient de sensibilité du
capteur.
Cette plaquette constitue l’élément
sensible du capteur de courant à effet
Hall.
b - du domaine HTB (Square D), avec :
■
au premier plan un TC conventionnel,
au deuxième plan un capteur optique
équivalent, mais moins encombrant.
■
fig. 20 : exemples de capteurs optiques.
Cahier Technique Merlin Gerin n° 170 / p.19
Principe
L’explication du phénomène de Hall
suppose que dans une plaquette
longue (cf. fig. 21), pourvue de larges
électrodes d’injection de courant i, tous
les électrons sont en déplacement
uniforme à la vitesse V en sens inverse
du courant i. Lorsqu’un champ
→
d’induction magnétique B est appliqué
perpendiculairement à l’une des
grandes faces de la plaquette, les
électrons de charge -e sont déviés vers
l’une des petites faces contre
lesquelles ils s’accumulent sous
l’action des forces de Laplace :
→
→
→
F = − e. V ∧ B
Le déséquilibre des charges
entre les deux petites faces fait
apparaître un champ électrique de
→
Hall EH ,qui croît jusqu’à ce que la
→
force (-e . EH ) équilibre celle du
champ d’induction.
Dans ces conditions, les électrons
reprennent un mouvement uniforme, et
le champ électrique de Hall s’exprime
par :
→
→ →
EH = − B . j / (N.e)
où N est le nombre
de porteurs de
→
charge (-e) et j la densité de courant
dans la plaquette , d’où la tension de
Hall :
→
Elle peut être corrigée, pour
une plage de température définie, par
le convertisseur secondaire.
■ erreur de linéarité
La présence d’un circuit magnétique,
même avec un entrefer relativement
important, introduit une non linéarité
résultant des phénomènes de
saturation. La dynamique de ce capteur
est liée au dimensionnement du circuit
magnétique.
■ fluctuation liée à la température
La température influe de deux
manières :
■ par le coefficient de sensibilité K qui
varie d’environ 0,01 % par ˚C,
■ par les contraintes mécaniques,
consécutives à des variations de
température, subies par l’élément
sensible.
La réalisation d’un tel capteur doit
prendre en compte toutes ces
influences et essayer de les compenser
pour obtenir et garantir, dans les
conditions d’utilisation spécifiées, une
précision compatible avec l’application
envisagée (mesure ou protection ou les
deux). D’où le schéma fonctionnel de
l’électronique nécessaire au bon
fonctionnement de ce capteur
(cf. fig. 22).
La bande passante de tels capteurs est
relativement grande. Il est possible de
mesurer des courants continus et des
courants ayant des fréquences de l’ordre
de 40 kHz. La largeur de la bande
passante, de ce type de capteur, dépend
de la technologie du circuit magnétique,
des composants électroniques et de
l’architecture employés pour le
traitement du signal.
Comportement en CEM
L'absence d'isolement galvanique entre
le capteur et les éléments électroniques
est un handicap important, surtout en
HT. La CEM de l'ensemble (capteur à
effet Hall, unité de protection et de
contrôle-commande) peut donc être
imparfaite.
d
i
→
→
EH
v
→ →
-e. vΛΒ
-e. EH
fig. 21 : schéma théorique du capteur à effet
Hall.
→ →
VH = K . i . B / (N.e. d)
Réalisation pratique
Une solution pratique pour améliorer la
sensibilité du capteur est d’augmenter
→
B . Pour cela, le générateur de Hall est
placé dans l’entrefer d’un noyau
magnétique parcouru par le flux
d’induction dû au champ magnétique
créé par le courant à mesurer
(cf. fig. 5). L’alimentation en courant et
le traitement du signal se font par
l’intermédiaire d’éléments
électroniques.
Précision
La réponse d’un capteur à effet Hall
n’est pas parfaitement proportionnelle à
B, trois facteurs en sont la cause :
■ tension d’offset,
■ erreur de linéarité,
■ fluctuation en fonction de la
température.
■ tension d’offset
C’est une tension d’erreur liée
à la réalisation de l’élément sensible.
Cahier Technique Merlin Gerin n° 170 / p.20
Ι
→
B
i
sonde
générateur de
courant constant
alimentations
VH
→
amplificateur différentiel
et stabilisateur du
coefficient de sensibilité
en température
amplificateur
+
filtre
Uh = K . Ι
fig. 22 : schéma fonctionnel de l’électronique d’un capteur à effet Hall.
circuit de
compensation
de l'induction
résiduelle
thermistances
circuit de
compensation
d'efforts
mécaniques
capteur de courant à flux
nul
Principe
L’élément sensible est un circuit
magnétique (CM) (cf. fig. 4) dans
lequel le flux créé par le courant à
mesurer (I1) est annulé par un courant
(I2). Courant dont la valeur est ajustée
automatiquement par un amplificateur
électronique de puissance (A) piloté
par la tension de la sonde (SD)
proportionnelle au flux circulant dans
le noyau magnétique (CM). Le flux
résultant dans ce noyau est nul, il est
donc possible d’écrire :
I2 = N1 . I1 / N2, avec
N1 = nombre de spires de
l’enroulement primaire,
N2 = nombre de spires de
l’enroulement secondaire.
Précision
La précision de ce système est très
bonne. Les bancs de mesure des
erreurs des transformateurs de courant
exploitent ce principe. Il est possible de
limiter l’erreur de module à de très
faibles valeurs (≈ 0,02 %). De même
pour l’erreur de phase qui peut être
inférieure à 0,1 minute d’angle (mais
qui dépend des circuits électroniques
d’annulation du flux).
Les performances d’un tel capteur
dépendent essentiellement des
performances de l’amplificateur, aussi
bien en plage de mesure qu’en
précision.
Note :
Les transformateurs de courant à flux
nul permettent de mesurer les courants
continus.
Comportement CEM
Le signal d’annulation du flux voisin de
zéro est facilement perturbable. Ce
type de TC doit donc faire l’objet d’un
environnement électromagnétique très
protégé (écrans, filtrage des
alimentations, etc.).
6. tableau comparatif, synthèse
TC
transformateur
de courant
conventionnel
CS
capteur à bobine
de Rogowski
capteurs
optiques
transformateur
de courant à
flux nul
■ linéarité
■ fidélité
■
■
■■■■
■■■■
■■■■
■■■
■■■
■■■
■ dynamique
■ précision
■
■■■
■■■■
■■■
■■■■
■■■
■■
■■■■
■ CEM
■■■
■■■
■■■■
■■
■■
■■■■
■■
■
■■
■
■■■■
■■
■■■■
■■■■
■
■■■
■
■■
■
■
■■■■
■■■■
■■
■
■
mauvais
■ ■ moyen
■ ■ ■ bon
■■■■
très bon
performances :
aptitudes :
■ étalon de mesure
■ fournir de l’énergie
aux équipements
de protection et contrôle-commande
■ fournir le signal de mesure à :
■ des compteurs d’énergie analogiques
■ des compteurs d’énergie numériques
■ des équipements numériques de
protection et contrôle-commande
coût relatif par rapport à l’appareillage :
■ en HTA
■■■
■■
■ en HTB
importance des capteurs annuellement installés :
■ situation actuelle
■■■■
■ évolution prévisible
■■■
■■■■
■■
■
■■■
■■■
■
■■■
■
■
■■■
■■
■
Cahier Technique Merlin Gerin n° 170 / p.21
7. conclusion et avenir
les solutions du présent
Aujourd’hui la majorité des
équipements de protection et de
contrôle-commande en service fait
appel aux technologies
électromagnétiques ou électroniques.
Ils nécessitent des signaux de
puissance suffisante (≈ 5 à 50 VA) de
la part de capteurs de courant souvent
éloignés (≈ 2 à 150 m).
Dans les équipements HT, cette
fourniture d’énergie est faite par des
transformateurs de courant
conventionnels.
Cependant, en HTA plusieurs
centaines d’unités de protection et de
contrôle-commande numériques sont
en fonctionnement. La plupart,
capables de traiter des signaux de bas
niveaux énergétiques, sont associées à
des capteurs CS. Et en HTB des
expérimentations sont en cours avec
des capteurs à effet Faraday à cristaux
ou à fibres optiques.
Les TC à flux nul sont surtout employés
dans les bancs de contrôle et dans les
réseaux de transport en courant
continu.
les solutions de l’avenir
L’évolution très rapide des systèmes de
protection et de contrôle-commande
vers les technologies numériques
conduit déjà à des modifications
Cahier Technique Merlin Gerin n° 170 / p.22
importantes des spécifications des
capteurs. Ces spécifications
favorisent la CEM, la linéarité et la
plage d’utilisation des capteurs.
■ CEM
Il est lié à l’emploi de plus en plus
étendu des technologies électroniques.
Dans ce domaine le capteur optique
présente un comportement idéal.
■ linéarité
Les TC linéaires (type TPZ) sont
généralement très encombrants
(présence d’entrefer) et leur linéarité
n’est pas parfaite. Sur défaut, ils
imposent aux équipements qui leur
sont raccordés des contraintes
thermiques très importantes. Le
capteur CS, étant d’une linéarité
parfaite, présente la performance
optimale sur ce point.
■ plage d’utilisation
Un TC a une plage d’utilisation très
réduite qui limite son emploi à une
seule application. Par contre, les
capteurs optiques et CS dont la plage
d’utilisation est plus grande (≈ 10 fois)
ont des possibilités d’emploi plus
étendues, seulement limitées par les
équipements auxquels ils sont
raccordés.
Les capteurs optiques et CS sont donc
les plus performants au niveau des
contraintes techniques nouvelles. Un
capteur hybride , ayant comme élément
sensible une bobine de Rogowski et
comme système de transmission des
fibres optiques, pourrait être la solution
idéale.
En HTA, cette solution n’est pas encore
économiquement exploitable. Par
contre la solution CS, par son coût et
les avantages qu’elle procure, est la
solution déjà présente et de l’avenir.
En HTB l’emploi de ces nouveaux
capteurs dépend du développement
des solutions numériques pour les
unités de protection et de contrôlecommande ou de la création
d’interfaces numériques pour les unités
existantes. A partir de l’instant où de
tels équipements seront disponibles,
l’évolution des capteurs sera très
rapide. Cette évolution est
commencée : des systèmes sont déjà
proposés, soit en «tout optique», soit
suivant la solution idéale préconisée
précédemment.
Ainsi donc, à long terme en HT, les TC
conventionnels, dont les performances
sont limitées et le coût relativement
élevé, sont condamnés à disparaître,
exceptés peut être ceux employés pour
le comptage de facturation d’énergie.
annexe 1 : précision des TC selon la CEI 185
limites d’erreur pour des secondaires «mesure»
valeurs du courant
exprimées en % du
courant assigné
erreur de courant (±), en %
déphasage I1/I2 (±)
minutes
-
centiradians
5
20
100
120
5
20
100
120
5
20
100
120
0,4
0,75
1,5
3,0
0,2
0,35
0,75
1,5
0,1
0,2
0,5
1,0
0,1
0,2
0,5
1,0
15
30
90
180
8
15
45
90
5
10
30
60
5
10
30
60
0,45
0,9
2,7
5,4
0,24
0,45
1,35
2,7
0,15
0,3
0,9
1,8
0,15
0,3
0,9
1,8
classe de précision
0,1
0,2
0,5
1,0
limites d’erreur pour des secondaires «protection»
classe
de
précision
5P
10P
erreur de rapport
pour des courants
compris entre In
et 2 In, en %
±1
±3
déphasage
pour le courant nominal
minutes
centiradians
± 60
± 1,8
erreur composée
pour le courant
limite de
précision, en %
5
10
Cahier Technique Merlin Gerin n° 170 / p.23
annexe 2 : classement des TC selon la CEI 44-6
Les différentes classes de
transformateurs de courant pour la
protection, définies par la CEI 44-6
selon leurs performances, sont
indiquées dans le tableau ci-contre.
classe performances
P
TPS
TPX
TPY
TPZ
Limite de précision définie par l’erreur composée ( ε̂ c) pour un courant
primaire symétrique de régime établi.
Aucune limite pour le flux rémanent.
C’est aussi la classe du secondaire protection définie dans la CEI 185.
TC à faible flux de fuites dont les performances sont définies par des limites
fixées pour les caractéristiques d’excitation par l’enroulement secondaire
et pour l’erreur sur le rapport des nombres de spires.
Aucune limite pour le flux rémanent.
Cette classe est similaire à la classe X définie dans la norme BS 3938.
Limite de précision définie par l’erreur instantanée de crête ( ε̂ ) au cours du
cycle de fonctionnement en régime transitoire spécifié.
Aucune limite pour le flux rémanent.
Limite de précision définie par l’erreur instantanée de crête ( ε̂ ) au cours du
cycle de fonctionnement en régime transitoire spécifié.
Le flux rémanent ne doit pas excéder 10 % du flux de saturation.
Limite de précision définie par l’erreur instantanée de crête sur la
composante alternative du courant ( ε̂ ca) au cours d’un seul passage du
courant présentant la composante apériodique maximale, la constante de
temps de la boucle secondaire ayant la valeur spécifiée. Aucune exigence
concernant l’erreur limite sur la composante apériodique du courant.
Le flux rémanent devant être pratiquement négligeable.
annexe 3 : bibliographie
[1] Techniques de l'ingénieur :
Transformateurs de mesure.
D 4720 12-1990, D 4722 12-1990,
D 4724 3-1991, R1016 10-1992.
[2] CEI 44-6 : Première édition
1992-03 : Transformateurs de mesure.
Partie 6 : Prescriptions concernant les
transformateurs de courant pour
protection pour la réponse en régime
transitoire.
[3] CEI 185 : Deuxième édition 1987 et
sa modification 1 1990-07.
Transformateurs de courant.
Cahier Technique Merlin Gerin n° 170 / p.24
[4] Méthode rapide de
prédétermination des transformateurs
de courant,
Pierre SCHUELLER (Merlin Gerin)
page 41 à 45, RGE n°4 avril 1990.
[5] Techniques de l’ingénieur :
Capteurs de courant à fibres
optiques.
R 1016 10-1992.
[6] La CEM : la compatibilité
électromagnétique,
Cahier Technique Merlin Gerin n° 149.
F. VAILLANT.
[7] Le transformateur de courant pour
la protection en HT,
Cahier Technique Merlin Gerin n° 164.
M. ORLHAC.
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